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VSPIM: SRAM Processing-in-Memory DNN Acceleration via Vector-Scalar Operations

计算机科学 并行计算 计算 高效能源利用 计算机体系结构 计算机工程 隐藏物 算法 工程类 电气工程
作者
Chen Nie,Chenyu Tang,Jie Lin,Huan Hu,Chenyang Lv,Ting Cao,Weifeng Zhang,Li Jiang,Xiaoyao Liang,Weikang Qian,Yanan Sun,Zhezhi He
出处
期刊:IEEE Transactions on Computers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73 (10): 2378-2390 被引量:9
标识
DOI:10.1109/tc.2023.3285095
摘要

Processing-in-Memory (PIM) has been widely explored for accelerating data-intensive machine learning computation that mainly consists of general-matrix-multiplication (GEMM), by mitigating the burden of data movements and exploiting the ultra-high memory parallelism. The two mainstreams of PIM, the analog- and digital-type, have both been exploited in accelerating machine learning workloads by numerous outstanding prior works. Currently, the digital-PIM is increasingly favored due to the broader computing support and the avoidance of errors caused by intrinsic non-idealities, e.g., process variation. Nevertheless, it still lacks further optimization considering the characteristics of the GEMM computation, including better efficient data layout and scheduling, and the ability to handle the sparsity of activations at the bit-level. To boost the performance and efficiency of digital SRAM PIM, we propose the architecture called VSPIM that performs the computation in a bit-serial fashion, with unique support of vector-scalar computing pattern. The novelties of the VSPIM can be concluded as follows: 1) support bit-serial based scalar-vector computing via ingenious parallel bit-broadcasting; 2) refine the GEMM mapping strategy and computing pattern to enhance performance and efficiency; 3) powered by the introduced scalar-vector operation, the bit-sparsity of activation is leveraged to halt unnecessary computation to maximize efficiency and throughput. Our comprehensive evaluation shows that, compared to the state-of-the-art SRAM-based digital-PIM design (Neural Cache), VSPIM can significantly boost the performance and energy efficiency by up to $8.87\times$ and $4.81\times$ respectively, with negligible area overhead, upon multiple representative neural networks.
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